外加纤维素酶和α-淀粉酶对猪粪厌氧发酵的促进机制

摘要

为有效缩短有机物厌氧发酵限制阶段的反应时间,提高发酵底物的生物产甲烷效率,以猪粪为发酵底物,添加外源纤维素酶和α-淀粉酶,应用一级动力学模型和Gompertz模型拟合厌氧发酵过程.结果表明:适量添加纤维素酶和α-淀粉酶对厌氧发酵系统的水解反应具有积极的促进作用,当两种酶的总添加量为40 mg∕g、纤维素酶和α-淀粉酶配比为1:3时促进作用最为显著,其多糖浓度、TVFAs(乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的统称)浓度峰值、累积沼气产气量、甲烷产率(基于猪粪中挥发性固体含量计算)分别为4494 mg∕L、8666 mg∕L、187688 mL、392.1 mL∕g,与CK(对照)组比分别提高了171.0％、23.3％、23.5％、24.3％.相关性分析表明,外源酶的添加对厌氧发酵系统中微生物可利用的C∕N具有显著影响,可有效促进TVFAs转化产甲烷,当纤维素酶和α-淀粉酶配比为1:3时,厌氧发酵过程具有最大反应速率〔32.95 mL∕(g·d)〕,与CK组相比水力停留时间(HRT)缩短了2.5 d,生物产甲烷效率提高了24.3％,厌氧发酵过程符合Gompertz模型(R2=0.9992).研究显示,纤维素酶和α-淀粉酶对促进猪粪厌氧发酵有协同作用,当α-淀粉酶添加量不超过30 mg∕g时,α-淀粉酶添加量与甲烷产率呈正相关;当纤维素酶添加量超过10 mg∕g时,纤维系酶添加量与甲烷产率呈负相关.